Фамилия Мотыленко — яркий пример украинской модели фамилий, образованных с помощью патронимического суффикса -енко. Эта модель, доминировавшая на Левобережной и Степной Украине, буквально означает «маленький», «сын» или «потомок» того, кто назван в корне. В данном случае корень — Мотыль или Мотыло.

Сразу возникает соблазн связать фамилию с насекомым — мотыльком. Однако в украинской ономастике такое прозвище было бы маловероятным: мотылёк не отличается ни силой, ни ценным промысловым значением, чтобы стать устойчивым прозвищем. Гораздо убедительнее версия, что в основе лежит древнее славянское личное имя или прозвище Мотыло, которое, в свою очередь, восходит к глаголу «мотылять» — то есть качать, колебать, делать движения взад-вперед. В говорах так могли назвать непоседливого, суетливого человека или, напротив, того, кто ходит вразвалку, «мотыляет» при ходьбе.

Есть и вторая, более приземлённая версия, связанная с ремеслом. «Мотыль» в некоторых южнорусских и украинских говорах — это не только бабочка, но и часть ткацкого станка, челнок или особый вид ключа. Прозвище Мотыль мог получить ткач или мастер по изготовлению таких деталей. Тогда Мотыленко — «сын ткача» или «сын человека по прозвищу Мотыль».

С точки зрения географии, фамилия Мотыленко тяготеет к центральным и восточным областям Украины, а также к югу России, куда шёл активный переселенческий поток. Встречаются варианты написания через «и» — Мотиленко, что может указывать на акающее произношение в некоторых регионах.

Таким образом, перед нами типичная украинская фамилия, указывающая на прямого предка по мужской линии, чьё прозвище, скорее всего, описывало его характер или род занятий, а вовсе не бабочку.